半導(dǎo)體制程簡介

1、 晶園制作Wafer Creation 芯片制作Chip Creation 后封裝Chip Packaging Poly Silicon Creation 1 目前半導(dǎo)體制程所使用的主要原料就是晶園(Wafer)，它的主要成分為硅(Si)。 富含硅的物質(zhì)非常普遍，就是沙子(Sand)，它的主要成分為二氧化硅(SiO2)。 沙子經(jīng)過初步的提煉，獲得具有一定純度的硅，再經(jīng)過一些步驟提高硅的純度，半導(dǎo)體制程所使用的硅需要非常高的純度。 接著就是生成多晶硅(Poly Silicon)。 Poly Silicon Creation 2 采用一種叫做Trichlorosilane的物質(zhì)(SiHCl3)作為

2、溶劑，氫氣作為反應(yīng)環(huán)境，在鉭(tantalum)電熱探針指引下，經(jīng)過初步提煉的硅形成晶體。 這種過程需要多次，中途還會用到氫氟酸(HF)這樣劇毒的化學(xué)藥品，硅的純度也隨著這個過程而進(jìn)一步被提高。 最后生成多晶硅的硅錠。 Poly Silicon Creation 3 Crystal Pulling 1 多晶硅硅錠中晶體的晶向是雜亂無章的，如果使用它來制作半導(dǎo)體器件，其電學(xué)特性將非常糟糕，所以必須把多晶硅制作成單晶硅，這個過程可以形象地稱作拉單晶(Crystal Pulling)。 將高純度的多晶硅碾碎，放入石英坩堝，加高溫到1400C，注意反應(yīng)的環(huán)境是高純度的惰性氣體氬(Ar)。 精確的控制溫

3、度，單晶硅就隨著晶種被拉出來了。 Crystal Pulling 2 Crystal Pulling 3 制作完畢的單晶硅按照半徑的大小來區(qū)分，目前正在使用的有： 150mm(6) 200mm(8) 300mm(12) 正在發(fā)展的有： 400mm(16) Wafer Slicing 單晶硅具有統(tǒng)一的晶向，在把單晶硅切割成單個晶園(Wafer)的時候，首先要在單晶硅錠上做個記號來標(biāo)識這個晶向。 通常標(biāo)識該晶向的記號就是所謂Flat或者Notch (平邊、凹槽)。 6 Wafer 6的晶園通常采用所謂“平邊”的方法來標(biāo)識晶向。 8 Wafer 8的晶園采用Notch。 12, 16, Wafer

4、采用Notch，為什么呢？猜想。 Lapping & Polishing 切片結(jié)束之后，真正成型的晶園誕生。 此時需要對晶園的表面進(jìn)行一些處理拋光。 主要的步驟有以下幾步： 機(jī)械研磨(使用氧化鋁顆粒) 蝕刻清洗(使用硝酸、醋酸、氫氧化鈉) Wafer拋光(化學(xué)機(jī)械研磨，使用硅土粉) 表面清洗(氨水、過氧化氫、去離子水) Wafer Epitaxial Processing 經(jīng)過拋光，晶園表面變得非常平整，但是這個時候還不能交付使用。 半導(dǎo)體工業(yè)使用的晶園并不是純粹的硅晶園，而是經(jīng)過摻雜了的N型或者P型硅晶園。 這是一套非常復(fù)雜的工藝，用到很多不同種類的化學(xué)藥品。 做完這一步，晶園才可以

5、交付到半導(dǎo)體芯片制作工廠。 Oxidation Layering 氧化層生長就是在晶園表面生長出一層二氧化硅。這個反應(yīng)需要在1000C左右的高純氧氣環(huán)境中進(jìn)行。 什么是Photo？ 所謂Photo就是照相，將光罩的圖形傳送到晶園上面去。 Photo的機(jī)器成本 在半導(dǎo)制程中，Photo是非常重要的一個環(huán)節(jié)，從整個半導(dǎo)體芯片制造工廠的機(jī)器成本來看，有近一半都來自Photo。 Photo是半導(dǎo)體制程最主要的瓶頸 Photo制約了半導(dǎo)體器件線寬。 光罩制作 Mask Creation Photo的工作和照相類似，它所使用的“底片”就是光罩，即Mask，通常也被稱為Reticle。 光罩就是一塊玻璃板，

6、上面由鉻(Cr)組成圖形，例如線條、孔等等。 制作光罩需要用到Laser Writer或者E-beam這樣的機(jī)器，非常昂貴(這一部分不算入Photo的機(jī)臺成本)，一般需要專門的光罩廠來制作。 光罩上的圖形信息由CAD直接給出，這些CAD的信息(即半導(dǎo)體芯片的設(shè)計)由Design House提供。 光刻膠涂布 Photo Resist Coating 曝光 Stepper/Scanner Exposure 顯影和烘烤 Develop & Bake 光阻涂布 Photo Resist Coating 在Photo，晶園的第一部操作就是涂光阻。 光阻是臺灣的翻譯方法，大陸這邊通常翻譯成光刻膠

7、。 光阻涂布的機(jī)臺叫做Track，由TEL公司提供。 光阻涂布的是否均勻直接影響到將來線寬的穩(wěn)定性。 光阻分為兩種：正光阻和負(fù)光阻。 一般而言通常使用正光阻。只有少數(shù)層次采用負(fù)光阻。 曝光 Exposure 曝光動作的目的是將光罩上的圖形傳送到晶園上。 0.13um，0.18um就是這樣做出來的。 曝光所采用的機(jī)臺有兩種：Stepper和Scanner。 左圖是當(dāng)今市場占有率最高的ASML曝光機(jī)。 Stepper和Scanner的區(qū)別 步進(jìn)式和掃描式 按照所使用光源來區(qū)分曝光機(jī) g-Line 436nm h-Line 405nm i-Line 365nm KrF 248nm ArF 193nm

8、 X-Ray (Maybe Not Use) 顯影和烘烤 Develop & Bake 曝光完畢之后，晶園送回Track進(jìn)行顯影，洗掉被曝過光的光阻。 然后再進(jìn)行烘烤，使沒有被洗掉的光阻變得比較堅硬而不至于在下一步蝕刻的時候被破壞掉。 Acid Etch 將沒有被光阻覆蓋的薄膜腐蝕掉，是酸蝕刻的主要任務(wù)。 蝕刻完畢之后，再將光阻洗去。 酸蝕刻要使用到多種酸劑，例如：腐蝕SiO2需要用氫氟酸(劇毒無比的東東)；去除光阻需要用到硫酸。 Spin Rinse Dry 晶園本質(zhì)上是一種類似于玻璃的東西，很脆、易碎。任何碰撞都將導(dǎo)致晶園碎裂，所以在半導(dǎo)體廠使用真空吸盤來抓取晶園。 但是即便如此，

9、在防止了晶園碎裂導(dǎo)致的細(xì)小顆粒之后。仍然必須對晶園做經(jīng)常性的清洗，以防止細(xì)小顆粒殘留在晶園的表面上。 幾乎在每一步的操作后，都需要對晶園進(jìn)行清洗。 清洗晶園采用的物質(zhì)通常是： DI Water (去離子水) 用于清洗。 高純度的氮?dú)猓糜诖蹈删@。 Ashing 等離子體浴通常在蝕刻之后去除殘留在晶園表面的光阻。 對于不同層次的光阻移除，采用的等離子體是不一樣的。 例如：硅、硅化物、金屬導(dǎo)線等等。 另外，在去除光阻止后，通常還需要有一步清洗，以保證晶園表面的潔凈度。 Metal Etch 金屬蝕刻用于制作芯片中的金屬導(dǎo)線。 導(dǎo)線的形狀由Photo制作出來。 這部分工作也使用等離子體完成。 金屬

10、沉積 Metal Deposition 銅制程沉積 Copper Deposition 化學(xué)氣相沉積 Chemical Vapor Deposition Metal Deposition 一般來說，采用Physical Vapor Deposition (PVD；物理氣相沉積)的方法制作金屬薄膜。 這里面的金屬薄膜包括：Aluminum(鋁), Gold (金) and Tungsten(鎢)。 金屬層用于在半導(dǎo)體元器件中制造通路，當(dāng)然，離不開Photo的配合。 Copper Deposition 通常，半導(dǎo)體器件中的導(dǎo)線采用的是鋁。 銅導(dǎo)線比鋁導(dǎo)線具有更多的優(yōu)越性。 銅導(dǎo)線電阻比鋁導(dǎo)線小40

11、%，這樣采用銅導(dǎo)線的器件要快15%。 銅導(dǎo)線不易因為ESD而導(dǎo)致器件破壞。它能夠承受更強(qiáng)的電流。 采用銅導(dǎo)線的困難： 當(dāng)銅和硅接觸的時候，會在硅中發(fā)生非?？焖俚臄U(kuò)散。 這種擴(kuò)散還將改變制作在硅上面半導(dǎo)體三極管的電學(xué)特性，導(dǎo)致三極管失效。 IBM最終克服了這些困難(Damascene)： 采用先做絕緣層，再做銅導(dǎo)線層的方法解決擴(kuò)散問題。 在制作銅導(dǎo)線層的時候，IBM采用一種銅的多晶體，進(jìn)一步限制銅在硅中的擴(kuò)散。 Chemical Vapor Deposition 化學(xué)氣相沉積(CVD)，和PVD相比較，主要是在沉寂薄膜的時候還伴隨著化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。 針對不同的薄膜，要采用不同的化學(xué)物質(zhì)來做化學(xué)氣

12、相沉積。 Ion Implant 和前述的制程不一樣，離子注入不制作出新的層次，它僅僅改變晶園上某個區(qū)域的電學(xué)特性。變?yōu)镻型或者N型半導(dǎo)體。 離子注入制造 PN結(jié)，半導(dǎo)體中最基本的單位。 改善三極管集電極和發(fā)射極之間的導(dǎo)通性。 芯片是一層一層做出來的： 元器件、導(dǎo)線、連接孔、 Probe Test 電性測試 半導(dǎo)體芯片制作工廠交付使用的產(chǎn)品是晶園本身。在出貨之前，需要對晶園上的每一個芯片做電性測試。 良率 通常晶園上的芯片不會每一個都是可以工作的，測量所得的“可用芯片數(shù)/總芯片數(shù)”之值就是所謂“良率”(Yield)。通常只有良率達(dá)到一定值時才可以出貨。 由于這種測試使用探針，所以又被稱為Probe Test (探針測試) Wafer Die Cut 在晶園電性測試之后，出貨到封裝廠，后封裝的工作真正開始。 封裝廠會將晶園切割成一個個小的芯片，由于在晶園上留給封裝廠切割的空間只